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科普知識
數(shù)據(jù)分類:
應(yīng)變式壓力傳感器

數(shù)字質(zhì)量厚度傳感器溫度特性分析

發(fā)布日期:2022-08-21 點(diǎn)擊率:52

  1 引言

  目前的電子儀器設(shè)備,主要由電子元器件、半導(dǎo)體器件等組成。這就存在兩個問題:一是很多元器件,尤其是半導(dǎo)體器件受溫度影響很嚴(yán)重,如Pbs等;二是電子元器件都有一個溫度限制,其可靠性與溫度成反比,超過這一限制時,可靠性和平均無故障時間將急劇地降低。研究表明,將儀器的溫度循環(huán)故意超過20℃,其失效率增加8倍[1]。

  可見,對儀器儀表實施溫度控制在很多情況下是十分必要的。

  在造紙過程中,檢測紙張定量、水分、灰分的傳感器,位于紙機(jī)烘缸之后,此處溫度很高。對于生產(chǎn)卷煙紙等的紙機(jī),其尾部未設(shè)冷缸,到傳感器處,紙張的溫度約為65~75℃,儀表的散熱問題十分重要[2]。目前,從造紙過程控制使用的儀表來看,進(jìn)口儀表幾乎都采用通水冷卻散熱[3]。國產(chǎn)儀表幾乎未采取任何散熱措施。通水冷卻,對水溫有一定要求,同時存在水管密封難、易出水珠、維修維護(hù)難、造價高等問題,給實際應(yīng)用帶來不便;國產(chǎn)儀表,性能和可靠性均難滿足要求[2]。

  針對上述情況,通過對現(xiàn)代熱控制技術(shù)的分析研究,我們提出了采用熱管與半導(dǎo)體致冷聯(lián)合散熱控溫方案[4]。

  2 數(shù)字質(zhì)量厚度傳感器簡介

  數(shù)字核輻射質(zhì)量厚度傳感器,其基本原理如圖1所示。
 


圖1 數(shù)字式質(zhì)量厚度傳感器基本結(jié)構(gòu)圖


  其基本工作原理為:放射源的射線束輻射到被測物上,除部分被吸收、部分發(fā)生散射外,穿過被測物質(zhì)的β射線,輻射到接收器的閃爍體上,閃爍體產(chǎn)生熒光,熒光光子經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)換放大,形成脈沖式電子流,再經(jīng)放大整形及驅(qū)動,以脈沖形式送至微機(jī),微機(jī)對其計數(shù),再通過計算,便得出被測物質(zhì)的質(zhì)量厚度。

  用于核光變換的閃爍體,其使用溫度應(yīng)在75—80℃以下,否則將影響精度和使用壽命。光電倍增管對溫度變化也極其敏感,隨溫度升高,光電倍增管的增益減小、信噪比增大、暗電流增大,這些因素都影響傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性等。因此光電倍增管最好保持在常溫下工作。高溫環(huán)境下使用時,可采用熱管和半導(dǎo)體致冷散熱的控溫技術(shù),試驗證明效果非常好。

  3 溫度特性分析

  β射線穿過物質(zhì)時,由于發(fā)生電離和激發(fā)以及韌致輻射,使低能β很快被吸收。對β譜的主要部分來說,吸收曲線近似為指數(shù)下降:

    I=I0e-μmxm (1)

  式中I0、I分別為穿過xm厚物質(zhì)前、后的β輻射量,μm為質(zhì)量吸收系數(shù)。

  0℃時,空氣密度為1.2929kg/m3。假設(shè)質(zhì)量厚度測量儀的氣隙高度為12mm。放射源及接收器直徑為40mm。在0~60℃范圍內(nèi),溫度每變化10℃,空氣密度平均變化約3.3%,氣隙高度為12mm,其空氣等效定量約為1.2929×12=15.6g/m2,氣隙定量變化為15.6×3.3%=0.515g/m2。

  可見,氣隙溫度變化對測量儀的精度影響很大,可采用測溫、軟件補(bǔ)償予以消除。

  暗電流及熱噪聲除受管子加工制作及原材料影響外,主要受溫度變化影響,其溫度關(guān)系曲線分別如圖2及3所示。

      
       圖2 溫度變化對光電倍增管暗電流影響曲線          圖3 溫度變化對光電倍增管熱噪聲影響曲線


  可見,降溫或控溫對閃爍探測器性能提高是十分必要的。

  4 熱管控溫技術(shù)

  熱管是一種高效的傳熱器件,具有極好的導(dǎo)熱性,可在極小的溫差下遠(yuǎn)距離高效地傳輸熱量,且不需任何外部壓送功率。

  圖4是一種典型的熱管結(jié)構(gòu)。它是一個封閉的容器。整個熱管從縱向上可分為蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段;從徑向上可分為液態(tài)工質(zhì)、管芯和管殼。管芯用于浸透工質(zhì)的液相,管殼內(nèi)的其余部分容納工質(zhì)的汽相。

 
圖4 熱管工作原理示意圖


  熱量從蒸發(fā)段輸入、冷凝段排出。當(dāng)蒸發(fā)段受熱時,管芯材料中的液態(tài)工質(zhì)蒸發(fā)。一方面,由此建立起蒸發(fā)段與冷凝段間的壓差,把蒸汽從該段驅(qū)送到冷凝段。只要冷凝段溫度低于蒸汽的飽和溫度,它就在該段凝結(jié),并把汽化潛熱傳給外部散熱器耗散掉。另一方面,蒸發(fā)段管芯材料中液體蒸發(fā),使該段的液汽界面縮入管芯,使界面曲率半徑減小到產(chǎn)生毛細(xì)壓力。該毛細(xì)壓力把冷凝段的液相工質(zhì)抽吸回蒸發(fā)段,使之重新蒸發(fā)。這一過程周而復(fù)始,高效地將熱量從蒸發(fā)段轉(zhuǎn)移到冷凝段。

  由于熱管是靠相變潛熱來傳熱的,因此,熱管兩端溫差很小,一般為零點(diǎn)幾至幾度間。熱管的導(dǎo)熱能力極高,是良金屬導(dǎo)體的103—104倍。

  5 散熱控溫方案

  我們所要散熱控溫的儀表是在線式檢測儀表,其特點(diǎn)是周圍環(huán)境溫度較高。散熱控溫措施應(yīng)簡單、可靠,最好不要帶一些輔助設(shè)備,因檢測儀一般要隨掃描架探頭等運(yùn)動件一起運(yùn)動。另外,儀表中某些元器件,對散熱控溫精度要求很高,同時要求散熱控溫裝置最好能較快地將外部環(huán)境變化帶來的及自身產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去,即要求一定的快速性。

  基于上述情況,我們采用局部半導(dǎo)體致冷,用絕熱管將半導(dǎo)體致冷器熱端熱量傳到儀表外,用擴(kuò)大面積自然冷卻或強(qiáng)制風(fēng)冷將熱量散掉。該方案在需要散發(fā)熱量不是很大時,可以采用圖5所示的結(jié)構(gòu)。
 


  圖5 熱管半導(dǎo)體致冷器散熱控溫方案


  對于氣隙溫度影響,我們采用溫度傳感器檢測,軟件補(bǔ)償方法消除。而光電倍增管采用半導(dǎo)體致冷器和熱管聯(lián)合散熱控溫的辦法。

  熱管的引入,使儀表的散熱控溫問題得到較徹底的解決。

  性能指標(biāo):使用溫度范圍為10~60℃;控溫精度為±2℃。

  圖6給出了使用上述散熱控溫技術(shù)后,數(shù)字質(zhì)量厚度傳感器的八小時漂移曲線,其均方差為0.1026g/m2;不加溫控時一般為0.6~1.0g/m2左右。可見,溫控系統(tǒng)加入使儀表性能大為提高。
 


  圖6 質(zhì)量厚度傳感器八小時漂移曲線


  6 結(jié)論

  溫度變化影響質(zhì)量厚度傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性,利用熱管高效的傳熱性及極好的導(dǎo)熱性特點(diǎn),采用半導(dǎo)體致冷器和熱管散熱的控溫技術(shù),使質(zhì)量厚度傳感器的性能大為提高。該技術(shù)可廣泛用于各種在線式傳感器,有很好的推廣價值。


  

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